Угол расходимости лазерного луча.

Обычно подчеркивается острая направленность лазерного луча. При этом упускается

из виду, что малый угол расходимости не является неотъемлемым свойством генерируемого излучения. При многомодовой генерации телесный угол, в котором распространяется излучение, может быть достаточно большим. Лазеры с четырехсторонним резонатором генерируют практически во всех направлениях. Малым углом расходимости характеризуется, как правило, только одномодовый режим генерации или же совокупность аксиальных мод. К сожалению, такое ценное свойство отсутствует у инжекционных лазеров даже при одномодовой генерации. Это связано с малыми размерами активного слоя.

Нижним пределом угла расходимости служит дифракционный угол, который обусловлен волновой природой света и не зависит от источника излучения. Например, при дифракции плоской волны на круглом отверстии диаметром (дифракция Фраунгофера) первое кольцо, соответствующее минимуму излучения и ограничивающее центральный луч, удовлетворяет условию [156]

где угол, под которым виден из отверстия радиус первого кольца. Для малых значений угол расходимости центрального луча (на половине его интенсивности) приближенно равен (1 рад град) рад град. (22.18)

Для гелий-неонового газового лазера с и внутренним диаметром трубки из (22.18) находим Примерно таким же малым дифракционным углом расходимости характеризуется рубиновый лазер. Однако если у газовых лазеров, активная среда которых обладает высокой степенью оптической однородности, реальный угол расходимости луча приближается к дифракционному углу расходимости, то у рубинового ОКГ расходимость генерируемого излучения значительно больше У твердотельных и жидкостных оптических квантовых генераторов ширина лазерного луча определяется не дифракцией света, а оптическими неоднородностями активной среды, главным образом возникшими в процессе накачки и генерации (термические линзы и т. п.).

У инжекционных лазеров наблюдается обратная ситуация: основная причина большой расходимости генерируемого излучения это его дифракция при выходе из активного слоя. Для длины волны излучения лазерного диода на основе

Рис. 119. Распределение излучения инжекционного GaAs лазера в плоскости -перехода при одномодовой (а) и многомодовой генерации (б) [655] GaAs и мкм

из (22.17) следует соответственно . Неоднородности активного слоя приводят к дополнительному расширению луча, однако в целом они играют второстепенную роль по сравнению с дифракцией света.

Ширина активного слоя лазерного диода обычно составляет десятки или сотни микрон, поэтому угол дифракции излучения в плоскости -перехода на один-два порядка меньше, чем в плоскости В, перпендикулярной к Для определенности будем что плоскость -перехода расположена горизонтально а плоскость В — вертикально. Опыты показывают [655], что в высококачественных лазерных диодах, работающих в одномодовом режиме, расходимости луча в плоскости -перехода порядка (рис. 119, а). При многомодовой генерации, естественно, луч становится широким и в этой плоскости. В вертикальной плоскости угол расходимости составляет 10° и более (рис. 120, а). В некоторых диодах индикатриса излучения в -плоскости отклонена от плоскости -перехода в сторону -типа (рис. 120,б). Это связано с асимметрией волновода, который образуется в лазерном диоде: пассивная область -типа характеризуется меньшим коэффициентом поглощения генерируемого излучения, чем -область.

Теоретические и экспериментальные исследования картины ближнего и дальнего поля излучения гетеролазеров показывают, что с достаточной степенью точности активный слой можно моделировать плоским металлическим волноводом, заполненным диэлектриком, а угловое распределение излучения в вертикальной плоскости, как и у гомолазеров,

определяется дифракцией волноводной волны на открытом конце волновода [656]. Поскольку при необходимости уменьшить пороговый ток в гетеролазерах приходится делать малой толщину активного слоя, то это неизбежно приводит к большому углу расходимости лазерного луча [657—659]. Некоторые детали этой проблемы рассмотрены в работе [660].

Инжекционные лазеры по своим размерам близки к точечным источникам излучения. Поэтому с помощью оптических систем можно резко уменьшить угол расходимости лазерного луча или сфокусировать его на малую площадку.

Рис. 120. (см. скан) Симметричная (а) и асимметричная (б) индикатрисы излучения инжекционного GaAs лазера в плоскости, перпендикулярной плоскости -перехода